專利名稱：井內(nèi)濾器及其預(yù)填裝件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總地來說涉及井底汲采裝置，特別是涉及用于從流入水井、油井、氣井及回收井內(nèi)的流體中把松散的材料過濾出去的井內(nèi)濾網(wǎng)。
在油井或氣井的建井過程中，通常的作法是先向井孔內(nèi)敷設(shè)一根防護套管，然后將生產(chǎn)管道插在防護套管內(nèi)。在井場，套管上對準一個或多個汲采區(qū)處被鉆出橫向孔以使開采流體能進入套管腔內(nèi)。在開采地層流體過程中，地層砂粒也會被沖入流道內(nèi)。地層砂粒是相當細的砂，它會沖蝕流道內(nèi)的汲采部件。
在某些汲采作業(yè)中，井孔是不加套管的，而是面對含油或氣區(qū)域形成一個敞開面。例如，在水井、試驗井和水平井的汲采裝置中就是用這種敞開井孔(不加套管)布置。
用一個或多個濾砂器安裝在生產(chǎn)管道和有穿孔的套管(加套管的)或者敞開的井孔面(不加套管的)之間。通常的作法是在濾砂器上裝一個填裝件，以把在開采流體流入生產(chǎn)管道的區(qū)域內(nèi)的環(huán)狀空間封閉起來。向濾砂器周圍的環(huán)狀空間內(nèi)充填比較粗的砂?；虻[石，讓它們起過濾作用以減小達到濾砂器的地層細砂量。用工作管具和運行密封裝置使砂礫定位在濾砂器的周圍。在建井過程中，砂礫也被泵送并擠壓到濾砂器周圍的開采地層中，以便濾除流向井內(nèi)的流體中的松散材料。砂礫是以與水或膠漿混成砂漿的形式沿工作管具向下泵送，并且正好定位于填裝件之下或濾砂器之上。砂礫還充塞濾砂器和井孔套管之間環(huán)狀空間。在濾砂器懸掛在不加套管的敞開孔內(nèi)的井內(nèi)裝置中，充填的砂礫支承著周圍的松散地層。傳統(tǒng)的濾砂器采用一個壁上穿有孔的芯管，其周圍間隔地排列上一些縱向延伸的襯條、襯桿或襯肋，并在其上以均勻間距的螺旋結(jié)構(gòu)纏繞連續(xù)的金屬絲，使金屬絲的各圈之間有預(yù)定的軸向間隙。各圈金屬絲之間的孔隙允許地層流體流經(jīng)濾砂器，而同時間距緊密的各圈金屬絲又能擋住如砂粒或礫石等可能穿過礫石填裝料的細顆粒材料。
在繼礫石填裝操作之后的最初開采過程中出現(xiàn)的一個問題是，在礫石填裝料橋穩(wěn)定之前，細砂可能被帶過礫石子填裝料。在礫石填裝料最終固結(jié)并使得達到清潔的開采之前，產(chǎn)生大量這種細砂粒的情況并不是罕見的。在礫石填裝后的采井的早期階段中，這些細砂粒易于移動通過礫石填裝料和濾砂器并堆積在外面的金屬絲繞層和有穿孔的芯管之間的內(nèi)環(huán)狀空間內(nèi)。在一些情況中，這種情況會對濾砂器造成嚴重沖蝕，并最終造成用于減少砂粒的進入的濾砂器的損壞。在另一些情況中，細砂?？赡芎泻嫉摹⒑璧幕蛴袡C體的固體微粒，它們會完全阻塞濾砂器的流動通路，使得在建井后不久便終止開采。在深井中，當濾砂器被阻塞及生產(chǎn)管道中的內(nèi)部壓力減小時，地層的壓力可壓扁濾砂器和生產(chǎn)管道。此外，當周圍地層中流失了大量的砂/粒時，地層可能坍塌，損壞井內(nèi)套管、襯套和/或濾砂器，并最終導(dǎo)致產(chǎn)量減少或終止開采。
解決上述問題的一種考慮是在內(nèi)部的芯管和外部的金屬絲濾網(wǎng)之間的環(huán)狀空間內(nèi)放置一個礫石聚結(jié)的預(yù)填裝件。預(yù)填裝礫石的尺度定為適于擋住在初始開采中伴隨地層流體的細顆粒。天然礫石以及環(huán)氧樹脂包復(fù)的礫石已廣泛地使用在預(yù)填裝井內(nèi)濾砂器中。大多數(shù)預(yù)填裝井內(nèi)濾砂器都會遇到由于它們的外徑大于傳統(tǒng)的井內(nèi)濾砂器的外徑而產(chǎn)生的難以取回問題。為了使預(yù)填裝井內(nèi)濾砂器較易于取回通常是將內(nèi)部的芯管的尺寸做得小一些，因此對生產(chǎn)孔徑的大小和建井管具孔徑的大小都產(chǎn)生了限制。
為了使預(yù)填裝過濾材料有最大的環(huán)狀空間位置和最長的保持時間，一些傳統(tǒng)的井內(nèi)濾砂器已采用內(nèi)部金屬絲布或鋼絲編織的纖維過濾介質(zhì)。例如，請看美國專利4，858，691和美國專利4，856，591。與以具有電阻焊濾網(wǎng)為特點的傳統(tǒng)的肋條通道結(jié)構(gòu)相比，這種編織金屬絲布濾網(wǎng)不能提供自由流動。這種直接包繞在有穿孔的芯管上的金屬絲布濾網(wǎng)只允許其重疊于芯管上的流道之處有自由流動產(chǎn)生。甚至在這種情況中，在金屬絲布濾網(wǎng)自身重迭處通過這些芯管上的穿孔的流動也受到限制。由于金屬絲布的孔隙一般比外面的濾網(wǎng)構(gòu)件的通流孔隙小得多，因此利用細金屬絲布濾網(wǎng)的已有技術(shù)的濾砂器會產(chǎn)生阻塞。例如，在美國專利4，858，691中，金屬絲布的纖維篩號說明為是40至200目左右，其進流面積可能比外面的限制顆粒的圓筒的進流面積小得多。將可看到，砂粒的阻塞將會妨礙用這種型式的濾器建成的井的生產(chǎn)的初期開發(fā)階段的進行。
美國專利5，004，049中所揭示的一種具有特殊的間隙的預(yù)填裝井內(nèi)濾器有一個外部金屬絲纏繞濾網(wǎng)，它略大于內(nèi)部的電阻焊金屬絲纏繞濾網(wǎng)。其間被稱為“微小”環(huán)狀空間的空間充填以一種聚集的過濾材料。在這種環(huán)狀空間充以松散的(或非固結(jié)的)材料的場合中，聚集物通常是硅砂、小玻璃球、燒結(jié)的鋁釩土或鎳球。為了固結(jié)這些松散材料，往往將這些聚集材料與塑化的環(huán)氧樹脂相混合。由于在承受壓力差時松散地填裝的材料有沉淀和最終產(chǎn)生旁通“成渠”效應(yīng)的趨勢，因此用固結(jié)技術(shù)松散地填裝環(huán)狀空間是最可取的。
用于傳統(tǒng)的具有特殊間隙的預(yù)填裝濾砂器的充填方法是采用振動和依靠重力。這種方法不能把聚集材料置于受壓的狀態(tài)，因此給出現(xiàn)井孔成渠故障提供了條件。這最終將引起穿過濾網(wǎng)的沖蝕切口泄漏通路，并且通常會導(dǎo)致嚴重故障。由于這些雙層濾網(wǎng)預(yù)填裝件是考慮與礫石填裝汲采裝置一起使用，作為主要的控砂手段，因此它們被用作礫石填裝不足情況下的“保險”因素。環(huán)氧樹脂粘結(jié)的填充物可大大地降低所述的成渠效應(yīng)。然而彎曲應(yīng)力(如在裝運中，在偏斜的井孔中，粗莽的裝卸中所產(chǎn)生的)會在粘結(jié)在一起材料產(chǎn)生斷裂。這會產(chǎn)生高速的流入通道，接著又會引起嚴重的沖蝕損壞，就像暴露于地層砂粒時因成渠而出現(xiàn)的損壞那樣。眾所周知，硅砂礫石是溶于鹽酸和氫氟酸的，環(huán)氧樹脂也會與酸性地層流體發(fā)生強烈的反應(yīng)。這些大問題在傳統(tǒng)的激井技術(shù)中都會遇到。
這就需要提供一種能在經(jīng)礫石充填后的初始生產(chǎn)階段把流入地層流體中的細砂粒排除出去而又不過分限制地層流體開采的井內(nèi)濾器。還要求所提供的井內(nèi)濾器的徑向厚度相當緊湊，以實現(xiàn)這種效果。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，采用一種預(yù)填裝井內(nèi)濾器組件，其中的預(yù)填裝件是用金屬粉末模壓成形而后燒結(jié)成冶金學(xué)上整體的剛性管狀結(jié)構(gòu)的一整段制成的。這里用的“冶金學(xué)上整體的”這一術(shù)語是指聚集的金屬顆粒因在高溫高壓條件下燒結(jié)產(chǎn)生的原子間擴散而結(jié)合到一起。
這樣燒結(jié)制成的多孔管身能有效地取代內(nèi)部保持濾網(wǎng)(焊接或織編的)的和聚集材料(砂粒、環(huán)氧樹脂、鎳球等)。這種管身可由不銹鋼、高鎳合金、鍍鎳青銅等制成。被燒結(jié)的多孔的鋼碎料是通過加壓或模壓把金屬粉末制成同心管形或制成一平板，再將板卷成并焊成管子。
這種預(yù)填裝井內(nèi)濾器組件可有一個同心地以徑向間隔關(guān)系裝在穿孔芯管上的外部金屬絲纏繞濾網(wǎng)，以此限定了一個供容納燒結(jié)的金屬預(yù)填裝件的環(huán)狀空間。外部濾網(wǎng)的相鄰各絲圈的縱向間距是可選擇得能擋住預(yù)定最小尺寸的細砂粒。燒線金屬預(yù)填裝件的孔隙最好選得可通過尺寸在10微米(μm)到150微米(μm)范圍內(nèi)的細砂粒。這一尺寸是在主礫石填裝物固結(jié)前的早期開采階段中所產(chǎn)生的砂粒尺寸。因此，在任一選定的濾砂器界面區(qū)域，這種燒結(jié)金屬預(yù)填裝物濾網(wǎng)的有效進流面積要大大地大于外濾網(wǎng)的有效進流面積。
熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人只要參照附圖閱讀以下的詳細說明將能理解本發(fā)明的進一步的特點和優(yōu)點，其中

圖1是部分剖節(jié)和折斷的一個油井吸采裝置的正視圖，它包括一個懸置在生產(chǎn)區(qū)的本發(fā)明的一個預(yù)填裝井內(nèi)濾器;
圖2是根據(jù)本發(fā)明制作的一個預(yù)填裝井內(nèi)濾器組件的局部立體視圖;
圖3是圖2所示的該井內(nèi)濾器填裝組件的部分立體視圖;
圖4是沿圖2中的線4-4所取的雙濾網(wǎng)預(yù)填裝組件的剖視圖;
圖5是沿圖4中的線5-5所取的雙濾網(wǎng)預(yù)填裝組件的放大剖視圖;
圖6是圖2所示的燒結(jié)的無縫金屬預(yù)填裝件的立體視圖;
圖7是圖3所示的燒結(jié)的焊接金屬預(yù)填裝件的立體視圖;
圖8是裝配到有孔的芯管上的焊接的燒結(jié)金屬預(yù)填裝件的局部立體視圖;
圖9是沿圖8中的線9-9所取的一個剖面圖;
圖10是通過按本發(fā)明制作的一燒結(jié)金屬預(yù)填裝件的外表區(qū)域所取的一個顯微剖面的一種放大圖示。
在下述的說明中，全部說明和附圖中的所有相同零件均用同一標號來表示。為了更好圖示本發(fā)明的細節(jié)，附圖不是按比例繪制的，而且某些零件的比例夸大了。
現(xiàn)參照圖1和圖2，其表示了一個井內(nèi)濾器預(yù)填裝組件10，它被安裝在一個傳統(tǒng)的井底汲采裝置中。井孔12由套管12加強，并由水泥件16密封。生產(chǎn)管道18敷設(shè)在套管14內(nèi)。套管14在汲采流體從井的生產(chǎn)區(qū)域流入吸采管道18的深度上鉆有許多穿孔20。
在汲采管道18敷設(shè)進入井中時，將井內(nèi)濾器10對準套管上的穿孔20，或者其也可以敷設(shè)得直接對著一敞開的地層構(gòu)造。在吸采管道和套管14之間的環(huán)形空間分別由上和下填裝件所封閉，以使得只能從生產(chǎn)區(qū)域汲采地層內(nèi)的流體。
流動口26設(shè)置在管道18上，在上填封件22的下方以及濾砂器10的上方，通過這些流動口將與水或凝膠相混合的礫石用運行密封裝置(5SU)注入或循環(huán)地流入套管14和濾砂器10之間的環(huán)形空間28。為此，將一個沖洗管30敷設(shè)在管道18內(nèi)，以便使水或凝膠狀砂漿聚集在濾砂器10的下面或聚集在指示濾器32周圍，指示濾器是安裝在初級濾砂器10的下方。由于有初級濾砂器10及其下面的指示濾器32，就可防止礫石過早地充塞在初級濾器10周圍，這樣就可避免在該部位形成砂橋。
一個具有拋光內(nèi)孔的接管34設(shè)置在初級濾器10和指示濾網(wǎng)32之間，沖洗管30以密封的接合方式座落于其上，以使砂漿循環(huán)流入指示濾器32，用這種方式，可以防止任何過早的砂礫集聚。當套管14和濾器10之間的環(huán)形空間28被完全填塞時，地面上的各泵將指示出一個壓力突增，它將把剩余的水和/或凝膠從環(huán)形空間擠入地層中。然后由支承地層的油或氣使凝膠和礫石的砂漿脫水。同時，穿孔20被充滿礫石。一個更大的壓力突增指示礫石充塞過程的結(jié)束。最后，將沖洗管30從拋光接管34中抽出而通過抽回工作管具36使運行密封組件脫離與填封件22的接合。
圖2詳細地圖示了初級濾砂器10的結(jié)構(gòu)。該初級濾砂器10是一預(yù)填裝的組件，它包括一個具有預(yù)定長度例如20英尺長的有許多穿孔的芯管38。該芯管38有許多徑向穿孔的流道40，這些穿孔沿著芯管38的長度方向向以平行的螺旋路徑盤旋布置。這些孔道40使流體能以由外面的濾網(wǎng)42和內(nèi)部的預(yù)填裝件44所允許的程度流過芯管。這些孔道40可按任何所需要的圖案布置，并且可以根據(jù)所需要的通流面積而有不同數(shù)目以適應(yīng)預(yù)期的地層內(nèi)的流體流過生產(chǎn)管道18的流量。
有穿孔的芯管38的兩相對端最好都裝有一個螺紋連結(jié)件46以便以螺紋連接于磨光接管34和汲采管道18。外面的金屬絲濾網(wǎng)42以環(huán)狀的端部焊縫48固定在芯管38的兩相對的端部上。
外部濾網(wǎng)42是一個有許多流體可以通過而限制顆粒通過的孔的構(gòu)件，它是與芯管38分開形成的。在這一最佳實施例中，外部濾網(wǎng)42有外部網(wǎng)絲50，它是多圈地纏繞在縱向延伸的外部肋條52上，且最好是螺旋纏繞。外部網(wǎng)絲50各圈沿縱向彼此間離開，以此形成長方形的流體流通孔隙。這些孔隙以縱向肋條52和金屬絲圈為框，所允許地層內(nèi)的流體通過而將砂礫和非其他松散的地層材料擋在其外。
如圖5所示，外部網(wǎng)絲50的典型尺寸是寬為90密耳(2.29毫米)，高為140密耳(3.56毫米)一般為梯形橫截面。外部纏繞金屬絲的相鄰圈的最大縱向間距A由想要擋住的顆粒的最大直徑所決定。相鄰金屬絲圈間的孔隙間距A的典型尺寸是20密耳(0.51毫米)。假定外徑為2.97英寸(75.44毫米)，這樣外部濾網(wǎng)42的每英尺長度上可有約為20平方英寸(1300平方毫米)的進流面積。
外部網(wǎng)絲50和外肋條52是用不銹鋼或其它可焊接材料制成，并且用電阻焊將外部網(wǎng)絲50和外肋條52的每一交叉點焊接一起，這樣，使外濾網(wǎng)42在套裝到芯管38上之前成為自定形的整體部件。外肋條52彼此間離地周向設(shè)置并有一預(yù)先確定的圓周直徑，以形成尺寸適于容納預(yù)填裝套筒44的預(yù)填裝環(huán)狀空間54?？v向肋條52上用作內(nèi)部的預(yù)填裝套筒44和外部濾網(wǎng)42之間的間隔體。
預(yù)填裝套筒44及所圍繞的濾網(wǎng)42必須能承受運輸和向井內(nèi)插入過程中的擦碰以及嚴峻的井底條件，例如50℃到300℃左右的溫度范圍6到12左右的地層的流體pH值高達200磅/平方英寸(138×105帕)左右的地層壓力以及與腐蝕性地層流體接觸，其含有諸如重量濃度可達20%的硫化氫或二氧化碳之類的硫化物。
在這一最佳實施例中，內(nèi)部預(yù)填裝套筒44是同心地套在芯管38上，以及同心地安置在外濾網(wǎng)42內(nèi)的預(yù)填裝環(huán)狀空間54內(nèi)。內(nèi)預(yù)填裝構(gòu)件44就是這樣地依靠與芯管38及外濾網(wǎng)部件42套合而被固定。
最初伴隨砂石填充操作產(chǎn)生的細顆粒的直徑相當小，例如20-40目。因此，外濾網(wǎng)金屬絲50的相鄰圈之間的間距尺寸A(圖5)是選擇為能擋住20目以上的細砂粒。
預(yù)填裝套筒44是與芯管38和外濾網(wǎng)42分開制成的，它包括一個用金屬粉末燒結(jié)而成的整體多孔管身。所用金屬最好是不銹鋼或鎳和鎳鉻合金之類的耐腐蝕金屬，例如商標為蒙乃爾和因考乃爾的合金。燒結(jié)金屬套筒44的基質(zhì)的微孔尺度最好為10-150微米(μm)左右，這一般對應(yīng)于10-60目左右。
燒結(jié)金屬預(yù)填裝套筒44是用等壓模壓技術(shù)制成。在等壓模壓技術(shù)中，是將適當顆粒尺度的金屬粉末，例如50-1400微米(μm)的不銹鋼碎粒放入具有適當長度和直徑的管狀模具中。隨后將這種金屬粉末在模具內(nèi)以約65，000磅/平方英寸(448×106帕)的壓力壓縮20分鐘至2小時，以形成一個定形的粉末金屬套筒。然后將壓制成的粉末金屬套筒傳送到一個燒結(jié)爐中在1600-2100°F(871-1148℃)溫度范圍內(nèi)加熱幾小時。在燒結(jié)周期完成后，使燒結(jié)成的套管冷卻并對其進行進一步加工，其中包括將其切成所要求的長度。
多孔金屬預(yù)填裝套筒有不同的平均微孔尺度，這是由所用金屬粉末的各碎粒的尺寸確定的。對于用不銹鋼和高鎳合金的實施例，平均微孔尺度最好是在從0.001英寸(0.00254毫米)至0.006英寸(0.1524毫米)的范圍內(nèi)。對于鍍鎳青銅，平均微孔尺寸范圍可以是從0.001英寸(0.0254毫米)至0.020英寸(0.508毫米)。在壓縮制(或成形)后，將多孔管在爐中燒結(jié)是為了使各單個顆粒相互完全結(jié)合，同時留下微孔空隙。其結(jié)果是得到一個完全金屬的固結(jié)的預(yù)填裝套筒。
一種特殊間隙燒結(jié)多孔金屬外絲纏繞濾網(wǎng)的制作是從有穿孔的芯管基面開始。一個有穿孔的芯管38支承著燒結(jié)的預(yù)填裝套筒44和外面的金屬絲纏繞的濾網(wǎng)42。復(fù)蓋在有穿孔的芯管38上的是一薄壁(高滲透性)的燒結(jié)多孔金屬套筒44，其側(cè)壁厚度在約0.025英寸(0.635毫米)至0.200英寸(5.08毫米)范圍內(nèi)。但是，典型的燒結(jié)管的側(cè)壁厚度是1/16到1/8英寸(1.59到3.8毫米)。為了保護燒結(jié)金屬預(yù)填裝套筒44，采用標準的重型金屬絲纏繞結(jié)構(gòu)42。
由于采用上述燒結(jié)工藝過程，預(yù)填裝套筒44完全是燒結(jié)的金屬粉末制成，其被模壓成以冶金方式結(jié)合的整體剛性結(jié)構(gòu)。在加熱步驟中，由于在高溫高壓條件下燒結(jié)顆粒壓結(jié)在一起的金屬碎粒因原子間的擴散而結(jié)合到一起?？紫抖仁桥c初始的顆粒尺寸和所施加的均衡壓力成比例的。不銹鋼碎粒如果平均長度為50-1，400微米(μm)，在60，000磅/平方英寸(414×106帕)左右的壓力下壓縮并在如上所提出的1800°F(982℃)至2100°F(1，148℃)左右溫度下燒結(jié)后，將會產(chǎn)生100微米(μm)左右的微孔，這應(yīng)于40目左右。
燒結(jié)的金屬預(yù)填裝管可以1制成為如圖2和圖6所示的等壁厚無縫管。當為無縫的時，就用管形結(jié)構(gòu)，將預(yù)填裝套筒44的兩端焊到芯管38的外表面上。
現(xiàn)參照圖3、圖4、圖5、圖7、圖8和圖9，燒結(jié)的金屬預(yù)填裝管44的制作過程是先用金屬碎粒壓制成平板并燒結(jié)，隨后把平板卷成直的圓筒。然后把有穿孔的芯管38插入卷成的圓筒44內(nèi)，并用縱向縫焊W把縱向邊緣部分44A、44B焊接到一起。
按照本發(fā)明的一個優(yōu)點，芯管38的外表面部分38A是以冶金結(jié)合方式與焊縫W連結(jié)為一體。在焊接工具沿著卷制管44的縱向邊緣44A和44B之間的縫隙G的一個單焊程過程中，卷管的邊緣44A、44B和芯管表面38A就被焊接在一起。
在把燒結(jié)金屬預(yù)填裝管44焊到有穿孔的芯管38上之后，把這一組件插入外濾網(wǎng)42的孔內(nèi)。用環(huán)形焊縫48把縱向肋條52、外部纏繞金屬絲50及燒結(jié)的預(yù)填裝套筒44一起焊接到芯管38的下端。燒結(jié)金屬預(yù)填裝件44由環(huán)形焊縫48外濾網(wǎng)42及芯管38保持在預(yù)填裝環(huán)狀空間54內(nèi)，在芯管38和預(yù)填裝套筒44裝入預(yù)填裝環(huán)形空間54后，用環(huán)形焊縫48把外面的縱向肋條52、外網(wǎng)絲圈50和內(nèi)預(yù)填裝件44的另一端結(jié)合到一起，并焊固到芯管38的上端。按照這種布置，預(yù)填裝套筒44成為芯管38的一個整體部分而可投入使用。
在此所描述的本發(fā)明的一個重要特點是，由于預(yù)填裝套筒44的有效進流面積大大地大于外濾網(wǎng)42的有效進流面積，汲采流不受細砂粒在預(yù)填裝套筒44上的局部積聚的限制或阻塞。通過把燒結(jié)金屬預(yù)填裝套筒44的單位面積的孔隙度選擇提大大地大于由外濾網(wǎng)42的外金屬絲50和縱向肋條52所提供的通流面積就可做到這一點。
獲得可允許10微米到130微米尺寸范圍的細砂粒通過的微孔尺度是所希望的，而這一尺度正是砂礫充填物最終壓實及獲得清潔開采之前的早期階段內(nèi)所產(chǎn)生的細砂顆粒的尺度。因此在某些使用場合，希望把孔隙尺度增加到100至200微米(μm)的范圍，以允許40到60目大小的細粒通過，這正是在砂礫充填物壓實之前可能引起堵塞的尺寸。
在本發(fā)明的一個實施例中，燒結(jié)金屬預(yù)填裝套筒44經(jīng)過電解拋光以增加其孔隙度，獲得一個有效孔隙為40-60目的濾網(wǎng)，其微孔尺寸是在100至200微米(μm)范圍內(nèi)，平均微孔尺寸是150微米(μm)左右。電解拋光是一種去除金屬而不是沉積金屬的電化學(xué)加工方法。在電解拋光過程中，燒結(jié)金屬預(yù)填裝套筒44在合適的電解槽中構(gòu)成陽極，在加上電壓后電解槽就在燒結(jié)金屬預(yù)填裝套筒44的整個表面上形成極化層或極化薄膜。該薄膜在燒結(jié)金屬預(yù)填裝套筒表面上的微觀凹陷處最厚，而在其微觀凸起處最薄。在極化膜最薄處，電阻最小，因而金屬溶解速率最大。因此，在電解拋光步驟中，濾網(wǎng)表面上的微觀高出部位比微觀低谷處被選擇性地去除得快得多，由此產(chǎn)生一個非常平滑而光亮的表面。
電解拋光加工方法的一個意想不到的好處是由于從微觀低谷除去燒結(jié)的金屬材料而增大了微孔尺寸。對于前面舉例的用長度在50-1，400微米(μm)范圍內(nèi)的不銹鋼碎粒在60，000磅/平方英寸(414×106帕)壓力下壓實制成的燒結(jié)金屬預(yù)填裝套筒44，而壓緊壓力為初始的平均微孔尺寸達到100微米(μm)或更小。然而在用電解拋光加工獲得光滑表面之后，平均微孔尺寸增大150微米(μm)左右，即相當于40到60目。
由于經(jīng)過電解拋光加工去除了表面劃痕、金屬屑及嵌入的磨料顆粒，耐腐蝕性也改善了。由于電解拋光步驟去除了預(yù)填裝套筒44的表面層的損傷和冷加工效應(yīng)，機械應(yīng)力也消除了。此外，由于電解拋光加工工序其使燒結(jié)金屬預(yù)填裝套筒的多達90%的外表面面積減薄了，因此其形成一種非散粒表面。由于去除了表面的凹凸不平，只有很少的成核點仍留在尺度為10微米(μm)至150(μm)的顆?？赡鼙唤刈』蚨伦《鹱枞牡胤?。電解拋光還由于能除去或拋圓表面上的粗糙突起而減小燒結(jié)金屬預(yù)填裝套筒之外表面的摩擦系數(shù)。
圖10所示的顯微斷面表示出了對燒結(jié)金屬預(yù)填裝套筒44進行電解拋光后得到的基質(zhì)微孔的放大?？梢钥吹剑恳活w粒44A的邊緣都被拋圓了，微孔孔隙44B雖形狀不規(guī)則，但其孔隙尺度都是在約100微米到200微米范圍內(nèi)。
這種燒結(jié)金屬預(yù)填裝件在石油開采工業(yè)中具有極大的技術(shù)上的優(yōu)點。燒結(jié)金屬預(yù)填裝套筒的孔隙度主要是由金屬顆粒尺寸的選擇來決定，并且可按需要用電解拋光來增大，以隔除可能引起阻塞的細砂粒，而且是固有穩(wěn)定的，具有可與傳統(tǒng)的金屬絲網(wǎng)相比的機械強度。濾筒表面的凹凸不平由電解拋光去除，因而減少了成核點的數(shù)量，不然的話在這些成核點處細砂粒會被截住而引起阻塞。
預(yù)填裝套筒44的燒結(jié)金屬材料是由耐蝕合金的金屬碎粒制成，可耐酸銑處理，耐刺激性化合物，以及可承受井中的高氯化物/高溫的工作條件。由于該種繞結(jié)金屬預(yù)填裝套筒可制成20-30英尺(6-9米)或更長的連續(xù)長度，因此它有一個相當大的進流表面積，這特別適合于使用在地層流體的流進速度相當?shù)偷募巢裳b置中，例如用在水平的汲采裝置中。
而且，預(yù)填裝套筒44是由固有穩(wěn)定的燒結(jié)金屬碎粒制成，并可由模壓、機械加工、切割到所需尺寸，還可用與傳統(tǒng)的汲采道管相同的方式用同樣的工具進行焊接和制作。燒結(jié)金屬預(yù)填裝套筒可制作成任何所需的長度，并可以用與傳統(tǒng)的吸采管道相同的方式機械加工和制作。可以看到，本發(fā)明與傳統(tǒng)的預(yù)填裝件相比有下述重要優(yōu)點1.這種預(yù)填裝套筒的結(jié)合材料是不銹鋼或其他耐腐蝕合金，因此其對由井底條件及腐蝕刺激性流體產(chǎn)生的腐蝕具有很高的抗蝕能力。
2.這種燒結(jié)金屬固結(jié)件的強度和韌性都優(yōu)于環(huán)氧樹脂預(yù)填裝件，因而在彎曲時不會象環(huán)氧樹脂固結(jié)件那樣斷裂。
3.它十分適合使用在需要對失效的砂礫充填物(即充填物中的空穴)“保險”的井底環(huán)境中并能防止對由非固結(jié)砂礫構(gòu)成的預(yù)填裝件常產(chǎn)生的成溝作用。
4.它的高度使得無需對環(huán)狀預(yù)填裝厚度有要求。因而纏繞金屬絲的直徑可減小，而又仍能提供最大的對腐蝕保護。這樣就為充填物的放置提供了較大的環(huán)狀空間。
5.燒結(jié)金屬的結(jié)合消除了化學(xué)方式的結(jié)合，因而比硅砂或環(huán)氧樹脂更能耐高溫環(huán)境及耐腐蝕。
6.與傳統(tǒng)的預(yù)填裝材料相比，為種預(yù)填裝套筒的徑向厚度可減小，但又不會對內(nèi)部的芯管施加流動限制或強度上的損害。這樣就有可能減小在一直有最大內(nèi)徑和最小外徑的井濾網(wǎng)內(nèi)的預(yù)填裝集結(jié)材料的體積，但又不會犧牲濾網(wǎng)擋住預(yù)定尺寸的細砂粒的過濾能力。
這樣本發(fā)明就可用于提供一個有一個集結(jié)材料的預(yù)填裝件的井濾器，其孔隙可以作成適當?shù)倪t度以擋住預(yù)定尺寸的細砂粒，它是多孔的和固有穩(wěn)定的，其機械強度可與傳統(tǒng)的有砂礫集結(jié)充填物的濾網(wǎng)相比。這種濾器適于用在地層流體的進流速率相當?shù)偷木畠?nèi)汲采裝置中，例如用在水平的汲采裝置中。
雖然本發(fā)明是結(jié)合油井吸采裝置且是以具體的最佳實施例敘述的，但不能認為以上描述具有局限意義。熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人將可根據(jù)上述的說明和圖示對所揭示的實施例以及可供選擇的應(yīng)用場合搞出各種改動方案，例如可用于從流進水井、氣井和油井、以及環(huán)境井中的流體中濾出松散的物粒，包括監(jiān)測井、再生井以及廢物處置井，包括用水平的及垂直的吸采方式。因此這里提出，本發(fā)明的權(quán)利要求將包括其范圍內(nèi)的任何這樣的改動或?qū)嵤├?br> 權(quán)利要求
1.一種用于從地層流體中把顆粒物分離出去的井內(nèi)濾器它組合地包括一個具有穿孔的芯管；一個與所述芯管以徑向間隔的關(guān)系，安裝在所述芯管上的多流體孔的限制顆粒物的構(gòu)件，以此在其間限定了一個預(yù)填裝環(huán)狀空間；其特征在于一個燒結(jié)金屬的具有滲透性的套筒設(shè)置在所述的預(yù)填裝環(huán)形空間內(nèi)。
2.一種用于從地層流體中把顆粒物分離出去的井內(nèi)濾器，它包括一個具有穿孔的芯管;一個同心地安裝在所述芯管上的燒結(jié)金屬的具有滲透性的套筒;其特征在于，一個多流體孔的限制顆粒物的構(gòu)件安裝在所述的燒結(jié)金屬套筒上。
3.一個如權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的井內(nèi)濾器，其特征在于，燒結(jié)金屬套筒的側(cè)壁徑向厚度在從0.025英寸(0.635毫米)左右至0.200英寸(5.08毫米)左右范圍內(nèi)。
4.如權(quán)利要求1至3中之任一項所述的井內(nèi)濾器組件，其特征在于，所述的限制顆粒物的構(gòu)件包括周向設(shè)置縱向延伸的多根金屬肋條和一個以縱向間距方式在所述金屬肋條外面的金屬絲濾網(wǎng)，以此形成了供地層流體通過的縱向間隔的過濾孔隙，所述縱向延伸的金屬肋條是設(shè)置在外面的金屬絲濾網(wǎng)及所述燒結(jié)金屬套筒之間。
5.如權(quán)利要求1至4中的任一項所述的井內(nèi)濾器，它包括將燒結(jié)金屬套筒和限制顆粒物的構(gòu)件的兩端分別連接于所述芯管的焊縫。
6.如權(quán)利要求1至5中任一項所述的井內(nèi)濾器，其特征在于，所述的燒結(jié)金屬套筒是一個無縫管或把一燒結(jié)的金屬平板卷成所需要的圓筒，然后把兩相鄰邊緣焊起來而形成。
7.如權(quán)利要求6所述的一種井內(nèi)濾器，其特征在于，所述卷起來的板的相對邊緣沿縱向焊縫焊接到所述芯管上。
8.一種用于放置在一個井孔內(nèi)的濾砂器，其組合地包括一根有許多徑向穿通的縱向間隔的孔隙的長的芯管;一個基本同心地與所述芯管對準地安裝在所述芯管上的外部金屬絲濾網(wǎng)，所述外金屬絲濾網(wǎng)有數(shù)個沿圓周方向間隔設(shè)置的縱向延伸的外金屬肋條，以及一個繞在所述外金屬肋條外面并在基本上全部接觸點處焊接到其上的外網(wǎng)絲。以此形成了供地層流體流過外濾網(wǎng)的縱向間隔的外濾網(wǎng)孔隙;其特征在于在所述的芯管上制成一環(huán)形焊縫，把所述外金屬網(wǎng)絲和所述外金屬肋條的端部連接在一起，使所述濾網(wǎng)與所述芯管以徑向間距關(guān)系對中，以此形成一個預(yù)填裝環(huán)狀空間;以及一個具有滲透性的燒結(jié)金屬套筒設(shè)置在所述預(yù)填裝環(huán)狀空間內(nèi)。
9.一種用于把流入水井、油井、氣井和再生井中的流體中的松散物粒分離出去的井內(nèi)濾器，其特征在于，該構(gòu)件包括一個粉末金屬燒結(jié)而成的多孔管身，此多孔管身包括壓緊的金屬碎粒，其未壓時的長度在約50微米(μm)至約1400微米(μm)范圍內(nèi)。
10.一種有一個多流體孔的用于把松散物粒從地層流體中分離出去的顆粒限制構(gòu)件型式的井內(nèi)濾器，其特征在于，所述構(gòu)件是一個用金屬粉末以下列步驟燒結(jié)而成的多孔管身把未壓縮時平均長度為約50微米(μm)至約1400微米(μm)的金屬碎粒放進一個壓模中;壓縮在壓模中的金屬碎粒，以及在一個燒結(jié)爐中在足以使金屬碎粒相互結(jié)合的溫度下燒固已被壓縮的金屬碎粒，以此制成一個冶金學(xué)上整體的具有微孔縫隙的多孔構(gòu)件，微孔的尺寸范圍是從10微米至150微米(μm)左右。
11.一種用于放置在一個井孔內(nèi)的濾砂器，它組合地包括一個有一個管壁以及數(shù)個在管壁上徑向穿通的縱向間隔地布置的孔的長芯管;一個圍繞所述芯管的有圓周方向纏繞的金屬絲的金屬絲濾網(wǎng)，纏繞的金屬絲形成了供地層流體流過的縱向布置的外濾網(wǎng)孔隙，其特征在于一個有滲透性的燒結(jié)金屬套筒同心地安裝在所述芯管上;以及金屬絲網(wǎng)以基本上與所述燒結(jié)金屬套筒同心且澆在其外面的方式安裝在所述芯管上。
12.如前述各權(quán)利要求中的任一項所述的一種井內(nèi)濾器，其特征在于，所述燒結(jié)金屬是不銹鋼、鎳或鎳鉻合金。
13.一種制作用于井內(nèi)濾器的預(yù)填裝套筒的方法，其特征在于，它包括下述步驟(a)制成平均長度在從約50微米(μm)至約1400微米(μm)范圍內(nèi)的金屬碎粒;(b)在壓模中把金屬碎粒壓縮到大約60，000至65000磅每平方英寸(414×106至448×106帕)的壓力;以及(c)在一燒結(jié)爐中在1600°F至2100°F(871℃至1148℃)溫度范圍內(nèi)燒結(jié)已壓縮的金屬碎粒，直至使金屬碎粒相互結(jié)合。
14.如權(quán)利要求13所述的一種制作一個預(yù)填裝套筒的方法，其特征在于，壓縮步驟(b)是在一個有一個用于用壓縮的金屬碎粒制成平板的空腔的壓模中進行的，以及在步驟(c)中將壓縮的金屬碎粒燒結(jié)之后，把燒結(jié)成的金屬平板基本上卷成圓筒，隨后把圓筒的相對的邊緣焊接在一起。
15.如權(quán)利要求13所述的一種制作一個預(yù)填裝套筒的方法，其特征在于，壓縮步驟(b)是在一個有一個用于用壓縮的重金屬碎粒制成平板的空腔的壓模內(nèi)進行，以及在步驟(c)中將壓縮的金屬碎粒燒結(jié)之后，把燒結(jié)成的金屬板基本上卷成圓筒形，再把燒結(jié)金屬板卷成的圓筒的兩鄰接邊緣焊接起來并沿縱向焊縫焊接到芯管上。
全文摘要
一種預(yù)填裝并由濾器組件有一個以徑向間隔關(guān)系同心地安裝在一個有穿孔的芯管(38)上的電阻焊外濾網(wǎng)，以此形成一個可容納一個燒結(jié)金屬預(yù)填裝套筒(44)的環(huán)狀空間。外濾網(wǎng)(42)的相鄰各圈間的縱向間距可選擇為能擋住預(yù)定的最小尺寸的細砂粒。燒結(jié)金屬填裝套筒(44)的孔隙度選擇得可通過尺寸在約10微米(μm)至約150微米(μm)范圍內(nèi)的細砂粒。燒結(jié)金屬填裝套筒(44)的有效進流面積大大地大于外濾網(wǎng)(42)的有效進流面積。
文檔編號B01D29/11GK1074269SQ9211509
公開日1993年7月14日 申請日期1992年12月16日 優(yōu)先權(quán)日1991年12月16日
發(fā)明者布賴恩特·A·阿特布魯, 詹姆斯·E·史潘格勒, 托馬斯·V·麥羅祖 申請人:奧的斯工程有限公司